齒輪是機(jī)械設(shè)備中用來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的關(guān)鍵零件。隨著機(jī)械制造技術(shù)的快速發(fā)展，金屬齒輪在制造和應(yīng)用方面的適用性逐漸跟不上現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展速度。

　　金屬齒輪是由切削、磨削等成形技術(shù)加工而成，存在機(jī)加工誤差、造價(jià)高，且制作安裝難度很大。隨著新材料的不斷涌現(xiàn)，塑料齒輪的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在玩具、醫(yī)療器械、電子電器、國(guó)防軍事、航空航天等領(lǐng)域，均能見到塑料齒輪的身影。

　　相對(duì)于金屬齒輪，塑料齒輪質(zhì)量輕、運(yùn)行噪音小、耐磨性好、自潤(rùn)滑性能好，可通過(guò)模塑成型、增材制造和機(jī)加工等多種途徑進(jìn)行加工和批量生產(chǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)都是金屬齒輪所不具備的。構(gòu)成塑料齒輪的塑料本身就具有潤(rùn)滑的功能，可降低嚙合齒輪間齒面的摩擦系數(shù)，達(dá)到潤(rùn)滑的效果，以此可節(jié)省成本，降低維修費(fèi)用。

　　另外，一些尺寸較小的塑料齒輪，相比于金屬齒輪裝備更為方便，但是塑料齒輪同時(shí)也有很多缺點(diǎn)。由于受塑料性能的限制，塑料齒輪的齒面強(qiáng)度差，在齒輪嚙合的過(guò)程中會(huì)發(fā)生不同程度的失效，甚至斷齒;塑料齒輪的抵抗變形能力會(huì)隨著溫度的升高而變化;由于塑料齒輪的熱導(dǎo)性比金屬齒輪的差，在兩齒輪聚合物-金屬齒輪或者聚合物-聚合物齒輪嚙合的過(guò)程，會(huì)因?yàn)槟Σ恋仍虍a(chǎn)生大量的熱，但是熱量卻無(wú)法從聚合物齒輪齒面快速消散，齒輪會(huì)因?yàn)闇囟壬叨l(fā)生永久的變形。

　　從“以塑代鋼”的角度出發(fā)，就需要使用合適的材料來(lái)代替金屬，減少產(chǎn)品的質(zhì)量，但不減弱其強(qiáng)度，并能提高其耐腐蝕性、介電性能等，并充分發(fā)揮塑料齒輪的可設(shè)計(jì)性、自潤(rùn)滑性能。

　　為提高齒輪的強(qiáng)度性能，可以在塑料齒輪中添加提高強(qiáng)度和熱性能的增強(qiáng)材料——玻璃纖維和碳纖維。添加纖維后的塑料齒輪的力學(xué)性能得到顯著增強(qiáng)，可提升塑料齒輪在嚙合過(guò)程中的使用壽命。

　　本文通過(guò)對(duì)塑料齒輪材料的發(fā)展、成型技術(shù)和失效檢測(cè)與評(píng)價(jià)等方面的研究進(jìn)行調(diào)研和綜述，旨在為塑料齒輪的更新發(fā)展和研究提供可用的技術(shù)參考。

　　一、塑料齒輪的種類

　　塑料齒輪的主要作用是傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。在不同的工況環(huán)境下，需要對(duì)制作塑料齒輪的材料進(jìn)行綜合考慮，比如齒輪使用性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性等。塑料齒輪的成型材料可以分為通用塑料、工程 塑料和特種工程塑料及以其為基體的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料等。隨著新材的不斷涌現(xiàn)，塑料齒輪相比于金屬齒輪的優(yōu)勢(shì)更為明顯，還可以加入不同的填料來(lái)改變純塑料齒輪的屬性，提高齒輪的使用性能和壽命。

　　通用塑料齒輪

　　用于齒輪的普通通用塑料有聚乙烯、聚丙烯、 聚氯乙烯、聚苯乙烯等，如 Fig.1 所示。它們的產(chǎn)量大，價(jià)格低，用途廣泛，但是同時(shí)也有很多的缺點(diǎn)，比如表面硬度低，容易被劃傷;在環(huán)境應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生開裂，導(dǎo)致失效;在齒輪嚙合的過(guò)程中，由于熱膨脹系數(shù)大，會(huì)產(chǎn)生大量的熱，更容易發(fā)生蠕變，導(dǎo)致永久變形。因此，通用塑料齒輪不適合用于承載能力高的場(chǎng)合，但適合用于制造玩具和醫(yī)療器件的齒輪。

Fig.1 Plastic gears

　　通用塑料齒輪在強(qiáng)度、散熱和承載方面表現(xiàn)較差，導(dǎo)致齒輪制造成型加工一般不使用單純的通用塑料，而是用共混物進(jìn)行注塑成型。普通塑料與其他原料結(jié)合，可提高塑料齒輪的綜合性能。Chen 等 對(duì)低密度聚乙烯共混物制成齒輪的磨損行為研究中，磨損產(chǎn)生的碎屑會(huì)在鋼表面上形成轉(zhuǎn)移膜，可減少制品表面的磨損，提高制品強(qiáng)度。通用塑料制成的齒輪容易發(fā)生失效，因此，生產(chǎn)齒輪一般使用工程塑料或者性能更高的塑料。

　　工程塑料齒輪

　　工程聚合物是一種特殊的、高性能的合成塑料，具有優(yōu)良的綜合性能，剛性大，蠕變小，力學(xué)強(qiáng)度高，耐熱性好，電絕緣性好，可在環(huán)境苛刻的場(chǎng)合下長(zhǎng)期使用。設(shè)計(jì)得當(dāng)可以被塑造成機(jī)械功能強(qiáng)的半精密部件或結(jié)構(gòu)部件，并為替代金屬齒輪實(shí)現(xiàn)“ 以塑代鋼”提供可能。工程塑料又可以細(xì)分分為通用工程塑料和特種工程塑料 2 類，其中可以成型齒輪的工程塑料有聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物(ABS)和熱塑性彈性體、聚酰亞胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚酯(PBT)、聚醚醚酮(PEEK)和液晶聚合物(LCP)等。

　　聚酰胺齒輪：聚酰胺(PA)材料具有熱塑性材料的硬度，有良好的抗沖擊性能和沖擊韌性。某些情況下比金屬性能更好，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于齒輪、凸輪和軸承的制作。但是它的熱變形溫度相對(duì)較低;制品在放置后有較大的吸水性，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會(huì)造成制品表面缺陷，改變表面的厚度，使屈服強(qiáng)度增大，韌性降低;使用過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生蠕變性。因此，為提升 PA 的性能，可進(jìn)行共混改性來(lái)得到不同性能的共聚 PA。

　　PA 齒輪在結(jié)晶度方面，屬于半結(jié)晶材料，可實(shí)現(xiàn)從固體到熔體的急劇轉(zhuǎn)變。PA 在注塑成型時(shí)會(huì)受到結(jié)晶度的影響，Russell 和 Beaumont通過(guò)對(duì)注塑成型 PA66 齒輪的研究發(fā)現(xiàn)，注塑過(guò)程中模具溫度對(duì)制品的結(jié)晶度影響較大，球結(jié)晶在結(jié)晶過(guò)程中會(huì)有大小的變化，甚至最終導(dǎo)致制品的缺陷。Apichartpattanasiri 等在不同注射參數(shù)下，使用 PA66 材料的圓盤進(jìn)行磨損機(jī)制研究，改變模具溫度可以獲得不同的微觀球晶結(jié)構(gòu)，球晶隨壁面溫度升高而變大。因此，為得到合適的制品，需要通過(guò)機(jī)加工方式來(lái)改善齒輪表面形貌。測(cè)試過(guò)程中，不同滑移率下，齒輪表面結(jié)晶處會(huì)產(chǎn)生不同程度的重結(jié)晶，并隨著時(shí)間而增加。

　　PA 齒輪在嚙合磨損過(guò)程中存在熱應(yīng)力的問(wèn)題，決定齒輪壽命的關(guān)鍵因素在于齒輪齒側(cè)的熱聚集，需要對(duì)齒輪的熱應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將聚集的熱消散出去，從而降低齒輪的嚙合溫度。從齒輪的磨損行為出發(fā)，明確熱應(yīng)力產(chǎn)生的區(qū)域，首先需要觀察的是 PA 齒輪失效形式，Mao 等研究中發(fā)現(xiàn)，PA 齒輪在高負(fù)載(10 N·m 以上)條件下的磨損行為主要分為 3 個(gè)階段：初始磨合階段、線性磨損階段和最后斷裂階段。初始磨損階段歷程較短，但是磨損量非常高;線性磨損階段的磨損率較低;最后斷裂階段的齒面磨損率會(huì)迅速增加。不同驅(qū)動(dòng)材料的齒輪與 PA 齒輪嚙合時(shí)，會(huì)對(duì) PA 齒輪齒面產(chǎn)生不同形式磨損，當(dāng)乙醛材料作為驅(qū)動(dòng)輪時(shí)，PA 齒輪齒面會(huì)有高熱磨損，導(dǎo)致齒輪壓力角增大，磨損加重，因此驅(qū)動(dòng)齒輪材料在磨損失效中起著關(guān)鍵的作用。

　　PA 齒輪具有良好的潤(rùn)滑性，但在高負(fù)載情況下，齒輪的壽命會(huì)縮短、失效會(huì)增多。因此，僅憑借 PA 齒輪自身潤(rùn)滑性是不夠的。為減少齒輪間的嚙合磨損，Tav?ar 等研究發(fā)現(xiàn)，以聚四氟乙烯 (PTFE)作為潤(rùn)滑劑會(huì)顯著降低嚙合摩擦系數(shù)，將 PTFE 添加到 PA 后，觀察到摩擦明顯減少，并實(shí)現(xiàn)60%以上的摩擦系數(shù)降低和 41%的工作溫度降低，可在提高壽命的同時(shí)獲得更大的扭矩動(dòng)力，而在 PTFE與聚甲醛的結(jié)合應(yīng)用中，卻發(fā)現(xiàn)其不能顯著提高齒輪的摩擦學(xué)性能。

　　聚甲醛齒輪：隨著塑料齒輪的應(yīng)用越來(lái)越多，應(yīng)用要求已經(jīng)從齒輪精度轉(zhuǎn)向承載性能。聚甲醛(POM)材料良好的力學(xué)性能，可以集精度和承載為一身應(yīng)用到齒輪的注塑成型。作為高結(jié)晶的線型聚合物，它是耐熱塑膠的典范。通過(guò)注塑成型，POM 材料可以制成堅(jiān)硬致密的抗疲勞、抗磨損齒輪，具有沖擊性好，摩擦系數(shù)小，自潤(rùn)滑性能好的優(yōu)勢(shì)，因此，POM 是聚合物齒輪的首選工程材料。其缺點(diǎn)是成型制品時(shí)有收縮的趨勢(shì)，并且容易產(chǎn)生缺陷。

　　在 POM 齒輪的成型工藝條件方面，注塑過(guò)程中的注射速度、模具溫度、鎖模壓力和冷卻時(shí)間對(duì) POM 齒輪的注塑成型有著重要的影響。Postawa 等對(duì)注塑過(guò)程中各個(gè)參數(shù)的分析發(fā)現(xiàn)鎖模壓力對(duì)于 POM 齒輪的成型質(zhì)量和加工收縮率的變化有很大的影響，并會(huì)反映在結(jié)晶度上。Kamal 等對(duì) POM 的微注射制品分析中，同樣得出注射速度、模具溫度和冷卻時(shí)間都會(huì)對(duì) POM 制品的結(jié)晶產(chǎn)生影響，造成的制品缺陷和結(jié)晶行為會(huì)影響齒輪的力學(xué)性能，因此，良好的工藝組合可提高 POM 齒輪成型質(zhì)量。

　　在 POM 齒輪的磨損失效方面，齒輪磨損會(huì)影響到齒輪的壽命，磨損與齒輪間的磨損系數(shù)有著緊密的聯(lián)系，但磨損系數(shù)的評(píng)估的影響因素有很多需綜合考慮。Matkovi?等對(duì) POM 齒輪磨損系數(shù)的研究中，獲得了齒輪磨損系數(shù)的評(píng)估方法，并對(duì) 7 種基于實(shí)際齒輪確定磨損系數(shù)的測(cè)試方法進(jìn)行總結(jié)，但是在實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中存在評(píng)估誤差，主要是因?yàn)閷?shí)際磨損的不確定性。因此，確定聚合物齒輪的磨損系數(shù)需要從實(shí)際的齒輪實(shí)驗(yàn)中摸索。

　　不同材料的齒輪的磨損機(jī)制不同，為探究不同材料齒輪嚙合過(guò)程中的磨損機(jī)制，Evans 等獲得 POM 直齒輪與鋼齒輪副嚙合時(shí)的磨損機(jī)制，較軟的聚合物必然是材料磨損的一方。該研究使用涂片的方式開展實(shí)驗(yàn)，涂片的作用是檢測(cè)齒輪間產(chǎn)生的扭矩，即產(chǎn)生的扭矩超過(guò)其彈性極限便會(huì)發(fā)生永久變形，從而獲得磨損機(jī)制特征，提出基于聚合物非線性特性的迭代模型來(lái)描述 POM 齒輪的磨損機(jī)制，該模型可以獲得每個(gè)負(fù)載下的永久和塑性變形。此外，通過(guò)磨損預(yù)測(cè)模型來(lái)確定磨損過(guò)程中的去除材料量。

　　聚碳酸酯齒輪：聚碳酸酯(PC)材料屬于無(wú)色的玻璃態(tài)無(wú)定型聚合物，具有高沖擊強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性好、蠕變小和良好的加工成型性能等優(yōu)點(diǎn)。但是在較高溫度的影響下 PC 易發(fā)生老化，因此在較高溫度下使用此種材料需要對(duì)制品表面進(jìn)行保護(hù)，進(jìn)而延長(zhǎng) PC 的使用壽命。PC 制成的齒輪，由于材料無(wú)色透明，齒輪外觀會(huì)十分精美，并且可安裝在精密儀器儀表中，進(jìn)行齒輪傳動(dòng)或者作為工藝裝飾品，但其制成的齒輪會(huì)存在徑向的齒形變，對(duì)于此種缺陷，需要進(jìn)行精確地齒輪模擬仿真才可獲得。Tang 等在不同材料、不同測(cè)量力和不同材料彈性形變的條件下，進(jìn)行 MATLAB 的仿真計(jì)算，獲得齒輪的齒徑向形變算法和齒輪幾何傳動(dòng)誤差值。由于仿真過(guò)程沒有考慮齒輪工況的，因此其效果相對(duì)理想化，實(shí)際中要對(duì) PC 材料的齒輪進(jìn)行表面處理，以減少齒面磨損。

　　聚醚醚酮齒輪：由于對(duì)聚合物齒輪的要求越來(lái)越高，就需要使用工程塑料達(dá)到齒輪工況要求，聚醚醚酮(PEEK)具有優(yōu)異的力學(xué)、化學(xué)和熱性能，比其他特種工程塑料更有優(yōu)勢(shì)。高溫下的 PEEK 材料拉伸強(qiáng)度和彎曲模量依舊很高，并表現(xiàn)出可靠的耐蠕變和抗疲勞的性能，可以長(zhǎng)期在 200 ℃的高溫下使用。PEEK 齒輪也可在較大負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸，是當(dāng)今模塑齒輪中的頂級(jí)工程材料。

　　PEEK 齒輪在性能方面表現(xiàn)優(yōu)良，在牙科中也有許多潛在的用途，PEEK 所具有較低的彈性模量和優(yōu)良拉伸性能都接近人體骨骼，適合作為牙齒的替代物。但仍需對(duì)磨損失效進(jìn)行探究分析，需要考慮載荷大小、環(huán)境條件以及滑移率等條件，并針對(duì)性地開展實(shí)驗(yàn)分析，如 Fig.2 所示。Hoskins 等在使用雙盤模擬 PEEK 齒輪的滾動(dòng)滑動(dòng)接觸研究中，獲得一種齒輪的動(dòng)態(tài)響應(yīng)方法。將 2 個(gè) PEEK 圓盤相互接觸碰撞，隨著載荷和滑移率的增加，PEEK 圓盤的磨損、摩擦和溫度也會(huì)增加(其磨損率明顯低于其他聚合物的磨損)，發(fā)現(xiàn)在高滑移率和高負(fù)載條件下的失效主要是表面熔化和接觸疲勞失效，因此，為設(shè)計(jì)出高性能的齒輪接觸條件，需要將獲得的結(jié)果與實(shí)際齒輪嚙合過(guò)程聯(lián)系起來(lái)。

Fig.2 Wear test and failure detection

　　聚苯硫醚齒輪：聚苯硫醚(PPS)具有硬度高，尺寸穩(wěn)定性好，耐疲勞和耐化學(xué)性能的優(yōu)點(diǎn)， 是高溫、腐蝕性環(huán)境中齒輪的首選材料，現(xiàn)在 PPS 齒輪已應(yīng)用到汽車、特殊流體泵等苛刻的工作條件 下。PPS 可以與其他聚合物相互結(jié)合，從而達(dá)到良好的力學(xué)和摩擦性能，齒輪的磨損和傳動(dòng)性能也可得到提升。Chen 等使用注塑機(jī)將 PA66 與 PPS 共混物注塑成型圓柱形摩擦副，進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)。獲得了最優(yōu)力學(xué)性能的共混物比例是 PA66/PPS(70/ 30)，最小磨損的共混物比例是 PA66/PPS(80/20)，并且磨損量會(huì)隨著混合物中 PPS 含量的增多而增加。進(jìn)一步開展了碳纖維(CF)增強(qiáng) PA66/PPS 共混物的磨損性能實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) CF 含量低于 30%時(shí)，CF 會(huì)導(dǎo)致摩擦副的耐磨性變差，而當(dāng) CF 含量高于 30%時(shí)，會(huì)顯著改善了摩擦副的磨損性能。另外，將聚四氟乙烯(PTFE)加入到 PA66/PPS 共混物中，發(fā)現(xiàn)共混物的力學(xué)性能下降，耐磨性卻有很大的提高。Kim 等研究發(fā)現(xiàn)，在 PPS 中加入乙烯丙烯酸丁酯(EBA)混合物，在齒輪接觸表面 PPS 少的條件下，摩擦系數(shù)會(huì)隨著 EBA 的含量增加而降低，磨損機(jī)制從黏附磨損模式轉(zhuǎn)變?yōu)槟チ夏p模式，從而提高齒輪的壽命。

　　纖維增強(qiáng)塑料齒輪

　　塑料齒輪具有質(zhì)量輕、易成型、噪音小的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有強(qiáng)度低、耐磨性差等缺點(diǎn)，因此制造塑料齒輪需要更高性能的材料，可以通過(guò)向材料中加入不同添加物的方式來(lái)提高其強(qiáng)度。塑料齒輪的 添加物一般分為 2 類，一類是減少摩擦，另一類是提高耐熱性和力學(xué)性能。使用聚四氟乙烯、石墨烯和硅氧烷等可以減少齒輪嚙合時(shí)的摩擦;添加碳纖維和玻璃纖維可以提升齒輪的強(qiáng)度和熱性能;提升耐磨性、降低齒輪的摩擦系數(shù)，可以使用芳族聚酰胺纖維。纖維具有拉伸強(qiáng)度高和吸收沖擊能量好的優(yōu)點(diǎn)，是一種簡(jiǎn)單有效提高齒輪強(qiáng)度的方法，為聚合物齒輪代替金屬齒輪提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　碳纖維增強(qiáng)塑料齒輪：碳纖維(CF)的拉伸強(qiáng)度和模量高，具備優(yōu)異的拉伸性能、低密度、高熱穩(wěn)定性以及良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，設(shè)計(jì)自由度高，可根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。碳纖維廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，將碳纖維加入塑料齒輪中，由于碳纖維自身的剛性，可以改善齒輪的摩擦性能，在實(shí)現(xiàn)齒輪輕量化的基礎(chǔ)上，提高齒輪的齒輪穩(wěn)定性和耐磨性。

　　根據(jù)碳纖維含量和種類的不同，對(duì)齒輪的增強(qiáng)效果和磨損失效表現(xiàn)不同。Kurokawa 等對(duì)不同 CF 增強(qiáng)的 PEEK 齒輪進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)，CF 增強(qiáng)齒輪會(huì)因配對(duì)齒輪的種類、有無(wú)潤(rùn)滑劑等因素導(dǎo)致齒面產(chǎn)生不同磨損。干燥的穩(wěn)定狀態(tài)下，齒輪的磨損率很小;涂抹潤(rùn)滑劑后，也會(huì)因?yàn)閲Ш淆X輪的不同而產(chǎn)生不同的磨損，研究人員推測(cè)是 PEEK 與 CF 的親和性、CF 磨屑在嚙合區(qū)介入的差異以及 CF 的特性對(duì)齒輪影響，但仍需進(jìn)一步驗(yàn)證分析。

　　Kurokawa 等在另一篇文章的研究表明，使用 PEEK 與 3 種聚丙烯腈(PAN)型 CF 和 2 種瀝青型 CF 共混而成的 5 種不同的 PEEK/CF 齒輪，對(duì)比 2 種 CF 增強(qiáng)齒輪中，發(fā)現(xiàn)在最初涂抹潤(rùn)滑脂時(shí)，相同類型的 PEEK/CF 齒輪組合，其磨損性會(huì)因 CF 種類的不同而有不同失效表現(xiàn)，磨損會(huì)因?yàn)?CF 的密度增加而減少。

　　在齒輪中填充材料方面，不同纖維和物質(zhì)加入聚合物齒輪中會(huì)有不同的效果。Schroeder 等在對(duì) PEEK、CF 增強(qiáng) PEEK 和填充石墨、PTFE 和 CF 增強(qiáng) PEEK 進(jìn)行摩擦學(xué)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)未填充 PEEK 齒輪在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出較大的磨損;CF 增強(qiáng) PEEK 齒輪也表現(xiàn)出很低的耐磨性，具有更高的滑動(dòng)和微磨料耐磨性;往 CF 增強(qiáng)的 PEEK 齒輪中再添加 PTFE 齒輪和石墨后，齒輪的摩擦系數(shù)急劇下降，表現(xiàn)出高擦傷性和幾乎沒有磨損的耐磨性，主要是因?yàn)樘畛溆惺?PTFE 的碳纖維 PEEK 齒輪的保護(hù)性摩擦層，從復(fù)合材料轉(zhuǎn)移到另一個(gè)齒輪上導(dǎo)致的。因此，CF 增強(qiáng)齒輪的性能雖然有所提高，但是在嚙合過(guò)程中的磨損失效仍然存在著不可預(yù)知性，需要對(duì)齒輪的磨損失效形式、溫度和潤(rùn)滑條件等進(jìn)行全面的研究。

　　玻璃纖維增強(qiáng)塑料齒輪：由于玻璃纖維(GF)的直徑小，在與基體材料結(jié)合后，表現(xiàn)出強(qiáng)度高、性能優(yōu)良和產(chǎn)品設(shè)計(jì)自由度大的特點(diǎn)。在特定的應(yīng)力水平和轉(zhuǎn)速條件下，GF 填充增強(qiáng)齒輪與未填充增強(qiáng)齒輪相比，GF 填充齒輪強(qiáng)度、模量和導(dǎo)熱性均表現(xiàn)優(yōu)良，疲勞壽命延長(zhǎng)。注塑制品內(nèi)部纖維分布均勻，拉伸性能和抗彎強(qiáng)度均有較大提高，在汽車，航空航天和采礦等領(lǐng)域，被廣泛應(yīng)用在各種機(jī)械部件中。

　　GF 的填充含量對(duì)齒輪性能提升有不同效果。Mao 等發(fā)現(xiàn) 28%的 GF 增強(qiáng) POM 齒輪與未填充 GF 的 POM 齒輪相比性能顯著增強(qiáng)，在負(fù)載能力方面，齒輪的承載提高 50%;在表面結(jié)晶度方面，POM 齒輪的結(jié)晶度會(huì)下降 20%，并從 SEM 圖像中獲得 GF 增強(qiáng) POM 齒輪的結(jié)晶度沒有變化。實(shí)驗(yàn)測(cè)試后，POM 齒輪內(nèi)部纖維長(zhǎng)度會(huì)減小，這是高負(fù)載情況下纖維斷裂所致，導(dǎo)致局部彎曲阻力顯著下降和齒輪齒面快速熱失效。

　　不同 GF 取向會(huì)影響到齒輪的嚙合磨損。為獲得最佳性能的纖維填充齒輪，Kunishima 等對(duì) GF 增強(qiáng) PA66 進(jìn)行摩擦學(xué)研究，在高接觸壓力下、滑動(dòng)和潤(rùn)滑條件下，GF 沿垂直取向時(shí)，在對(duì)應(yīng)鋼嚙合的材料上，觀察到較大的侵蝕，造成纖維剝落和齒面劃傷，這主要是摩擦和蠕變?cè)黾拥脑?當(dāng)纖維平行滑動(dòng)方向排列時(shí)磨損增加;在潤(rùn)滑油存在的情況下，磨損產(chǎn)生的碎屑導(dǎo)致的磨損會(huì)明顯少于接觸溫度升高而產(chǎn)生的磨損。

　　芳綸纖維增強(qiáng)塑料齒輪：芳綸纖維是一種合成纖維，具有超高的強(qiáng)度、高模量、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，可在高溫下不分解，不融化，是很好的絕緣和抗老化材料。芳綸纖維填充齒輪可以使齒輪的質(zhì)量減少，使得齒輪朝小型化和高性能方向發(fā)展。

　　在芳綸纖維的效果方面，可以在與 GF 和 CF 的比較中得到，在 Kukureka 等對(duì)芳綸纖維、GF 和 CF 增強(qiáng) PA66 的雙盤機(jī)試驗(yàn)中，GF 和 CF 增強(qiáng)的材料可以使摩擦系數(shù)顯著下降，而芳綸纖維不會(huì)改變 PA66 材料的摩擦性。芳綸纖維的磨損與時(shí)間呈線性關(guān)系，這導(dǎo)致增強(qiáng) PA 材料制得制品的磨損率會(huì)隨時(shí)間的變化而不斷提高。在兩圓盤接觸表面上，芳綸纖維會(huì)迅速地從接觸表面移除，只留下基體材料，這種效果與提高材料的摩擦系數(shù)相似，造成磨損率顯著高于未填充增強(qiáng)的材料，可能芳綸纖維只是抑制某些部位的裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致磨損的碎片是大而薄的薄片。

　　齒輪的磨損特性決定著齒輪的應(yīng)用工況。Gordon 等對(duì) PA46 和 PA46/芳綸纖維復(fù)合材料進(jìn)行滑動(dòng)滾動(dòng)接觸試驗(yàn)，在 2%滑移率的條件下，PA46+15%芳綸纖維的摩擦系數(shù)最低，但在較高的負(fù)載和速度下卻有著穩(wěn)定的磨損率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在任何載荷和速率條件下，PA46+芳綸纖維復(fù)合材料都會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕和大裂縫，最終斷裂而失效。因此，PA46+芳 綸纖維齒輪適合在低載荷和低速的工況下使用。

　　二、塑料齒輪的成型加工

　　注塑成型

　　塑料齒輪正朝著更大尺寸、更復(fù)雜的形狀和更高強(qiáng)度的方向發(fā)展，注塑加工的優(yōu)勢(shì)就可以體現(xiàn)出來(lái)。在保證齒輪制造精度的情況下，可以通過(guò)“ 一模多腔”，實(shí)現(xiàn)快速大批量生產(chǎn)，還可對(duì)注塑齒輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到質(zhì)量?jī)?yōu)化的齒輪，還可不考慮加工工具的選擇切換。在注塑成型齒輪中，由于模具的設(shè)計(jì)成本較高，需要保證模具設(shè)計(jì)的合理性。如果要改變齒輪形貌，需對(duì)注塑模具進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，如 Fig.3 所示。Mao 等設(shè)計(jì)了鋁制齒輪模具，嵌件采用弧形澆口設(shè)計(jì)，并將頂針機(jī)構(gòu)用于輪廓的設(shè)計(jì)，可有助于減少制品壁厚、縮短冷卻時(shí)間。

Fig.3 Injection molded gear

　　在注塑工藝條件方面，不同的工藝條件決定了制品的成品率和重復(fù)率。由于齒輪大小和注射材料的不同，需要對(duì)注塑條件(模具溫度、注射溫度、注射速度和注射壓力等)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試，以獲得最佳的熔體流動(dòng)過(guò)程和充分的熔體對(duì)流換熱。在各注射工藝參數(shù)下，彭亞運(yùn)等在對(duì) PEEK 材料微型齒輪注塑成型時(shí)，發(fā)現(xiàn)模具內(nèi)部溫度對(duì)制品有影響，并獲得影響成型的主次因素順序——模具溫度、熔體溫度、注射速度和注射壓力。注塑工藝的調(diào)試不僅只有溫度的單一條件影響，注射速度 和保壓壓力也是需要考慮的因素，Lee 等使用微注射成型的方法制造聚合物制品，通過(guò)控制保壓壓力和注射速度，可以獲得高質(zhì)量制品，并提高制品的重復(fù)精度。在 DSC 分析中，將碳納米管加入制品中可以促進(jìn) PLA 的晶體轉(zhuǎn)變，使制品表面模量和硬度提高。

　　在 Berer 等研究注塑 PEEK 輥的點(diǎn)蝕磨損中，潤(rùn)滑劑存在的條件下，點(diǎn)蝕量會(huì)增加，這與先前的研究有所沖突。因此，通過(guò)使用拉曼光譜進(jìn)行的化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑劑對(duì) PEEK 的特性沒有影響，并指出PEEK 可以抵抗所有常見的化學(xué)影響。通過(guò)詳細(xì)的微觀分析，發(fā)現(xiàn)注塑輥表面存在預(yù)裂紋。在采用合適的注塑成型工藝后，PEEK 輥的表面質(zhì)量得到改善，輥的疲勞壽命增加了 2~3 倍，可看出注塑工藝對(duì)成型齒輪的重要性。

　　3D 打印

　　對(duì)于 3D 打印的齒輪，不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀進(jìn)行打印，不受設(shè)備大小的限制。在加工的過(guò)程中，也不會(huì)有材料的浪費(fèi)，不需要剔除邊角料，并充分提升材料的利用率。但是對(duì)于 3D 打印的齒輪需要研究其在設(shè)定負(fù)載條件下表現(xiàn)出來(lái)的性能、復(fù)雜的熱機(jī)械行為和超彈性和黏彈性行為等。

　　目前，用于 3D 打印的材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，一些材料雖然能進(jìn)行 3D 打印，但并不具有環(huán)保性，這些材料的使用也就受到限制。在未來(lái)仍需要進(jìn)行多種材料的開發(fā)利用，以獲得更好性能的齒輪。現(xiàn)在的高精度 3D 打印機(jī)比較貴、打印時(shí)間較慢，不能實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)制造，這些技術(shù)缺陷在 3D 打印齒輪方面，仍然需要進(jìn)行針對(duì)性的研究開發(fā)。

　　在 3D 打印齒輪的磨損性能方面，3D 打印材料不同對(duì)磨損失效有不同的影響，Zhang 等使用 5 種尼龍材料(尼龍 618、尼龍 645、合金 910、Onyx 和 Markforged 尼龍)制備 3D 打印尼龍正齒輪，與尼龍 66 注塑齒輪作比較。磨損實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3D 打印齒輪的磨損行為大多發(fā)生在齒輪節(jié)線上，大多是齒面的熔化，但并沒有材料脫落。在中低扭矩條件下，尼龍 618 打印制造的齒輪具有最佳的耐磨性能，這可能是熱力學(xué)行為和每層之間的燒結(jié)效果導(dǎo)致的。為提升齒輪強(qiáng)度，可在打印材料中添加不同的共混物進(jìn)行打印成型齒輪。Gbadeyan 等通過(guò)在丙烯腈丁二烯苯乙烯層上引入不同質(zhì)量百分比的納米黏土逐層打印齒輪，如 Fig.4 所示。納米黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2%的直齒圓柱齒輪的抗沖擊性、抗拉伸、抗彎曲性和 DMA 的力學(xué)性能較好，對(duì)于添加納米黏土和未添加納米黏土的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯相比，柔韌性高、存儲(chǔ)模量低，這種復(fù)合材料可以在短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)不同類型的直齒圓柱齒輪。

Fig.4 3D printed gear

　　機(jī)加工成型

　　機(jī)加工生產(chǎn)的齒輪需要按照公差要求進(jìn)行切削加工，加工過(guò)程中不僅要對(duì)齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，還需要切換刀具進(jìn)行切割。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，注塑成型適合大批量生產(chǎn)齒輪，機(jī)加工適合小批量生產(chǎn)齒輪。Mao 等對(duì)機(jī)加工和注塑成型齒輪進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在小批量生產(chǎn)中，使用機(jī)加工成型乙縮醛齒輪，生產(chǎn)成本要比注塑生產(chǎn)齒輪低得多。在失效實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中，機(jī)加工齒輪與注塑成型的乙縮醛齒輪的失效是一致的，因此，磨損率與制作過(guò)程無(wú)關(guān)。雖然在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，由于工作溫度達(dá)到臨界值的原因，注塑齒輪磨損加快，但是也不能說(shuō)明使用機(jī)切成型乙縮醛齒輪更好。因此，為了經(jīng)濟(jì)性和對(duì)將來(lái)大批量生產(chǎn)做準(zhǔn)備，可以使用注塑成型來(lái)代替機(jī)加工制造齒輪。

　　三、結(jié)語(yǔ)

　　隨著從通用塑料到工程塑料的發(fā)展，塑料齒輪在質(zhì)量輕、運(yùn)行噪音小、耐磨性好、自潤(rùn)滑性能好、耐腐蝕等多方面的優(yōu)勢(shì)得到體現(xiàn)。纖維增強(qiáng)塑料齒輪在保證輕量化的同時(shí)，強(qiáng)度和耐磨性得到進(jìn)一步提升，塑料齒輪的應(yīng)用場(chǎng)所和使用工況得到進(jìn)一步拓展。塑料齒輪材質(zhì)的發(fā)展也對(duì)成型加工技術(shù)提出了更高的要求。注塑成型仍是塑料齒輪最主要的成型方式，主要在模具設(shè)計(jì)和注塑工藝參數(shù)調(diào)節(jié)方面保證成型齒輪的完整性、尺寸精度及表面質(zhì)量。3D 打印也逐漸發(fā)展成為塑料齒輪的成型技術(shù)，但成型周期較長(zhǎng)，成型精度和表面質(zhì)量均需改進(jìn)，制品缺陷的解決主要依賴 3D 打印的過(guò)程控制調(diào)整。機(jī)加工塑料齒輪的方法則主要受到經(jīng)濟(jì)性方面的限制，適用于小批量塑料齒輪的加工成型。

　　參考文獻(xiàn)略